摘要：采用中心波長為888 nm的激光二極管作為抽運源，減輕了Nd:YVO4晶體中的熱效應。通過合理的諧振腔設計，擴大激光晶體處的基模尺寸和振蕩光在凹面腔鏡處的入射角，減輕了激光晶體內部的熱效應和諧振腔像散，提高了激光器的輸出功率。采用四鏡環形腔選模的辦法，獲得穩定的高功率單頻激光輸出。在吸收的抽運功率為67.5 W時，實現了最高功率為21.5 W的532 nm單頻激光輸出，其8 h功率穩定性優于±1%，光束質量M2<1.1，光光轉換效率為31.9%。
1、引言
全固態高功率單頻綠光激光器可廣泛應用于科學研究的各個領域，比如抽運鈦寶石激光器或染料激光器，精確測量和高分辨率的激光光譜實驗。然而，在高功率抽運的條件下，激光增益介質中會產生嚴重的熱效應，這就限制了激光功率和光束質量的進一步提高。因此，目前高功率固態激光器研究的熱點，主要是集中在研究激光晶體熱效應特性和減輕激光晶體中的熱效應上。減輕激光晶體熱效應的方法包括采用復合增益介質，低摻雜晶體，雙端抽運方式或者直接抽運的方式。
目前已有多種方法能使激光器達到單縱模運轉，例如用扭轉模腔、短腔諧振、標準具選模及雙折射濾光片選模等。但在設計高功率輸出內腔倍頻激光器時，大多仍是利用環形諧振腔，消除空間燒孔效應進行選模。然而，由于環形腔包含的腔內元件太多，因而增加了激光器的內腔損耗，不利于高功率單頻激光器的獲得。關于高功率單頻激光器的研制，國外主要以美國的相干公司為代表，形成了VerdiV系列的單頻綠光光源，在采用中心波長為808nm抽運源的情況下，其最高輸出功率為18W；德國的ELS公司則采用薄片晶體，實現了最高輸出功率為15W的單頻綠光光源。在國內，山西大學光電研究所長期從事全固態單頻激光器的研究工作，但是受激光晶體熱效應的影響，限制了激光器輸出功率的提高。
本文采用楔形Nd∶YVO4晶體作為增益介質改善了激光器的穩定性，在單端抽運情況下，使用環形諧振腔選模技術實現了高功率單頻綠光激光輸出。采用中心波長為888nm的激光二極管（LD）作為抽運源，減輕了激光晶體的熱效應。通過合理的環形諧振腔設計，盡量保證在增益介質處獲得較大的基模尺寸并且縮小諧振腔腔鏡處振蕩光的入射角度，減輕了增益介質處的熱效應和環形腔的像散，提高單頻激光的輸出功率。在吸收的抽運功率為67．5W時，單頻綠光的最大輸出功率達到了21．5W，M2＜1．1，光光轉換效率為31．9％，光斑的橢圓率優于0．16，輸出綠光8h功率穩定性優于±1％。
2、實驗設計與裝置
圖1為實驗裝置圖，諧振腔為四鏡環形腔，其中包含兩個平面鏡［M1：S1，減反（AR）888nm；S2，高透（HT）888nm，高反（HR）1064nm和M2：S1，HR1064nm］和兩個凹面鏡（M3：S1，HR1064nm和M4：S1，HR1064nm，HT532nm；S2，HT532nm。犚M3，M4＝100mm）。增益介質采用α切割的楔形復合Nd∶YVO4晶體（S1，S2：AR888nm，1064nm），摻雜原子數分數為0．8％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm，對888nm抽運光的吸收效率為89％。楔形晶體的設計可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向模式的競爭中，保證π偏振光優先于σ偏振光在腔內起振，提高激光器的線偏振度和偏振方向的穩定性。法拉第旋轉器（TGG）和半波片（HWP）組成的光學單向器使激光器實現單向運轉，獲得穩定的單頻輸出。倍頻晶體采用尺寸為3mm×3mm×15mm的LBO晶體（S1，S2：AR1064nm，532nm），通過自制的控溫儀（控制精度為0．01℃）將晶體溫度控制為非臨界相位匹配溫度149℃。抽運源采用光纖耦合輸出的激光二極管（LIMOF400DL888EX1458），中心波長為888nm，最大輸出功率為90W，光纖芯徑為400μm，數值孔徑犖犃為0．22。激光二極管輸出的激光光束經傳輸效率為96％的望遠系統整形后聚焦于Nd∶YVO4晶體內。
與中心波長為808nm激光二極管抽運相比，采用中心波長為888nm的激光二極管抽運具有兩個優點：1）采用888nm直接抽運方式減小了量子虧損產生的熱，例如，要獲得1064nm激光輸出，與808nm抽運相比，熱負荷將從24．1％縮減為16．5％，這樣在激光的抽運過程中，增益介質會吸收更多的抽運功率而保證熱負荷不會增加；2）888nm抽運方式無偏振吸收的特性在降低熱效應的同時也改善了激光器工作的穩定性。為了定量地描述晶體的熱效應，使用LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運方式在吸收了相同的抽運功率下晶體內部的溫度分布。首先，選用摻雜原子數分數為0．8％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體，該晶體對波長為888nm抽運光的吸收效率為89％。其次，采用摻雜原子數分數為0．2％，尺寸為3mm×3mm×（3＋20）mm的Nd∶YVO4晶體，當抽運光的波長為808nm時，Nd∶YVO4晶體對抽運光的吸收效率為95％。圖2為在吸收了相同的抽運功率條件下采用兩種抽運方式晶體內部在橫向和縱向的溫度分布圖。
由圖可見，采用888nm抽運方式，增益介質中最高溫度為349．5K（等價于808nm抽運方式在抽運功率為32W時的最高溫度），比808nm抽運方式低72．6K，與此同時，晶體內部的溫度分布也比較均勻。這就為單端面抽運方式下徑向溫度分布不均勻提供了一種有效的解決方案，從而簡化了以往雙端面抽運的實驗裝置，使單端面抽運方式獲得高功率單頻運轉成為可能。
在高功率激光器的設計中，熱透鏡是一個關鍵參數，要優化激光器的參數，就必須測量熱透鏡，并分析熱透鏡對激光穩區和模式的影響，通過合理的腔型設計減輕熱透鏡效應對激光器的影響。在此設計中，通過對888nm抽運時熱效應的分析，設計合理的諧振腔，擴大增益介質處基模模式尺寸，進一步改善激光晶體處的熱效應。此外，為了獲得單頻激光輸出，采用四鏡環形諧振腔的設計，如圖1所示，該腔型中包含兩面傾斜的凹面鏡，因而會引入額外的像散。于是在整個設計中，為了獲得更高功率的穩定單頻激光輸出，要盡量減小環形諧振腔帶來的像散。實驗中，使用30∶75的整形系統將抽運光在激光增益介質處的腰斑直徑擴大為1mm，諧振腔長度為490mm，兩凹面鏡間距離為96mm，振蕩光在腔鏡處的入射角為10°，此時基模模式在增益介質中的光斑直徑設計為0．8mm，抽運光與基頻光的光斑尺寸均得到了放大，這將進一步改善激光晶體中的熱效應。而諧振腔的像散則無法完全消除，在諧振腔的設計上，盡量減小振蕩光在凹面腔鏡處的入射角及凹面腔鏡離軸入射引入的像散影響。
3、實驗結果與分析
通過分析，采用888nm直接抽運和合理的諧振腔設計，以及環形腔選模的辦法，最終在吸收的抽運功率為67．5W時，通過單端面抽運和內腔倍頻的方式獲得了輸出功率為21．5W的穩定單頻綠光激光器。當抽運功率從閾值到67．5W連續增加時，輸出的激光均可以保持良好的光束質量，并且輸出功率連續增加，如圖3所示。
圖4為激光器輸出功率為21．5W時，掃描法布里珀羅（FP）腔得到的單頻曲線，證明激光器實現穩定單頻運轉。
在輸出功率最大時，測得綠光激光器8h功率穩定性優于±1％，光束質量小于1．1，如圖5所示。
圖5為通過光束質量分析儀測量的光斑分布曲線圖，光光轉換效率為31．9％。由實驗結果可見，888nm直接抽運方式和擴大激光晶體處基模光斑尺寸，極大地減輕了增益介質在高功率抽運過程中產生的嚴重熱效應，提高了激光器的輸出功率和光光轉換效率。
4、結論
通過LASCAD軟件分析了888nm和808nm抽運方式的熱效應，與808nm激光二極管抽運相比，采用888nm激光二極管抽運具有量子虧損小，以及無偏振吸收的特性，可以有效減輕激光晶體的熱效應。通過合理的腔型設計，擴大了增益介質處基模的光斑尺寸并且減小了諧振腔的像散。利用環形腔選模方法，獲得穩定的高功率單頻綠光激光輸出。在吸收的抽運功率為67．5W時，采用單端抽運方式獲得了最高功率為21．5W的單頻綠光激光輸出，其光光轉換效率達到31．9％，光束質量犕2＜1．1，8h功率穩定性優于±1％。
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